喷涂式轻质砂浆-冷弯薄壁型钢组合墙体抗震性能试验研究与理论分析

摘要

喷涂式轻质砂浆-冷弯薄壁型钢结构体系作为一种新型的低、多层绿色节能建筑形式，不仅具有传统两侧覆板冷弯薄壁型钢结构体系自重轻、施工快速方便等优点，而且简化了建筑体系的构造形式，显著改善了建筑的保温、隔音、防火以及抗冲击等性能，避免了敲击墙面出现的空鼓感，解决了墙面吊挂受限的问题，提高了结构体系的整体稳定性和承载能力，十分符合我国新农村建设和城镇化建设的基本要求。本文以这种新型结构体系中的喷涂式轻质砂浆-冷弯薄壁型钢组合墙体作为研究对象，对其抗震性能开展试验研究、数值模拟和理论分析，并提出相应的抗震设计方法，为该结构体系在抗震地区的应用与推广提供相关依据。 本文首先对2个冷弯薄壁型钢骨架和8个喷涂式轻质砂浆-冷弯薄壁型钢组合墙体足尺试件进行了低周反复加载试验，观察了型钢骨架和组合墙体试件的受力过程和破坏模式，并对试件的滞回性能、承载能力、抗侧刚度、延性以及耗能能力等力学特征进行了深入分析。试验结果表明：冷弯薄壁型钢骨架的抗侧刚度和承载能力较低，在结构设计中忽略两侧墙板的作用是不可取的；新型组合墙体的主要破坏模式是边立柱底部的受压屈曲以及冷弯薄壁型钢骨架与两侧轻质砂浆之间的粘结滑移，当试件处于极限状态时，墙体虽有开裂但整体性较好；轻质砂浆与型钢骨架之间的相互作用可以显著提高墙体的抗剪承载力、抗侧刚度和延性。由于连接节点较弱，普通斜撑对墙体的抗侧刚度和抗剪承载力影响较小；但节点加强型斜撑和交叉钢带支撑的设置使墙体的抗剪承载力分别提高了16%～29%和14%～22%。 基于试验研究结果，采用 ANSYS有限元软件建立了喷涂式轻质砂浆-冷弯薄壁型钢组合墙体的有限元模型，轻质砂浆与冷弯薄壁型钢骨架之间的面-面接触作用可通过非线性弹簧单元进行模拟，其模拟结果与试验数据吻合良好。在此基础上，对组合墙体的抗剪性能进行了参数分析，结果表明：钢材强度等级由Q235提高至Q345和LQ550，墙体的抗剪承载力分别增加了约15%和28%；边立柱壁厚对墙体的抗剪承载力影响较大，边立柱壁厚由0.8 mm增加至1.5 mm，墙体的抗剪承载力提高了约66%；墙体骨架中的导轨与刚性横撑壁厚以及横撑的设置数量对结构的抗侧刚度和抗剪承载力影响均较小。 在试验研究和有限元分析的基础上，提出了喷涂式轻质砂浆-冷弯薄壁型钢组合墙体抗侧刚度和抗剪承载力的理论计算公式，计算结果与试验及有限元分析结果吻合较好；根据墙体的破坏特征，对该新型组合墙体定义了使用良好、暂时使用、生命安全和接近倒塌四种性能水平，确定了四种性能水平下的侧移角限值依次为1/1000、1/550、1/200、1/100；采用中美规范“等安全系数”原则，确定了该新型组合墙体的抗力分项系数?R=1.602，并提出了墙体抗剪承载力设计值的计算方法。根据理论分析结果，采用底部剪力法对一栋两层的喷涂式轻质砂浆-冷弯薄壁型钢结构房屋进行了多遇地震作用下的抗震性能验算，计算结果表明：在8度多遇地震作用下，该结构的刚度与承载能力均能满足设计要求，并且具有一定的安全储备。 最后，根据组合墙体骨架曲线的特征点以及理论分析结果，建立了适用于喷涂式轻质砂浆-冷弯薄壁型钢组合墙体的退化四线型骨架曲线模型，并基于 Pivot滞回规则建立了该新型组合墙体的恢复力模型，模拟的滞回曲线与试验曲线较为吻合，恢复力模型的建立可为喷涂式轻质砂浆-冷弯薄壁型钢结构体系的弹性与弹塑性时程分析提供理论依据。

目录

声明

1. 绪论

1.1 研究背景

1.2 传统冷弯薄壁型钢结构体系的组成与特点

1.3 冷弯薄壁型钢结构体系研究现状

1.4 研究课题的提出

1.5 本文研究内容

参考文献

2.喷涂式轻质砂浆-冷弯薄壁型钢组合墙体抗震性能试验研究

2.1 试验研究目的

2.2 试件设计

2.3 主要材料性能

2.4 加载装置、测点布置及加载制度

2.5 试验现象

2.6 试验结果及分析

2.7 试验结果对比分析

2.8 本章小结

参考文献

3. 喷涂式轻质砂浆-冷弯薄壁型钢组合墙体抗剪性能有限元分析

3.1 引言

3.2 有限元模型的建立

3.3 有限元模型验证

3.4 有限元参数分析

3.5 本章小结

参考文献

4. 喷涂式轻质砂浆-冷弯薄壁型钢组合墙体抗侧刚度与抗剪承载力理论分析

4.1 引言

4.2 喷涂式轻质砂浆-冷弯薄壁型钢组合墙体抗侧刚度理论计算方法

4.3 喷涂式轻质砂浆-冷弯薄壁型钢组合墙体侧移角限值探讨

4.4 喷涂式轻质砂浆-冷弯薄壁型钢组合墙体抗剪承载力理论计算方法

4.5 喷涂式轻质砂浆-冷弯薄壁型钢组合墙体抗剪承载力设计值探讨

4.6 喷涂式轻质砂浆-冷弯薄壁型钢结构房屋的抗震性能评估

4.7 本章小结

参考文献

5. 喷涂式轻质砂浆-冷弯薄壁型钢组合墙体的恢复力模型研究

5.1 引言

5.2 几个重要的恢复力模型

5.3 墙体骨架曲线

5.4 Pivot滞回模型的建立

5.5 本章小结

参考文献

6. 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

附录 A 个人简历 攻读博士学位期间论文发表及科研成果

附录 B 喷涂式轻质砂浆-冷弯薄壁型钢结构体系示范工程

B.1 陕南示范工程

B.2 陕北示范工程

致谢